CN102265573B - 用于估计正交频分复用传输系统中相位噪声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于估计OFDM传输系统中相位噪声的方法和装置。所述方法包括步骤：接收OFDM符号(S301)并将所述OFDM符号从时域变换至频域(S302)；从所述OFDM符号中提取至少一个服务信息符号(S303)；估计提取的服务信息符号的参考服务信息符号(S304)；和根据提取的服务信息符号与估计的参考服务信息符号之间的相关性确定相位噪声的表示值(S305)。

Description

用于估计正交频分复用传输系统中相位噪声的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及正交频分复用(OFDM)传输，具体而言，涉及一种用于估计OFDM传输系统中相位噪声的方法和装置。

背景技术

在通信系统中，调制器和解调制器通常工作在基带或者中频(IF)。由于必须以分配的无线电频率(RF)传输信号，在发射器需要将调制的信号上变频至RF信道。相应地，在接收器应当将RF信号下变频至IF或基带。因此，在发射器和接收器使用了本地振荡器，其将引入相位噪声(PHN)。通常接收器的制造成本较低并且通过压控振荡器(VOC)来实现。因此接收器对于PHN考虑得更多。

PHN对于OFDM传输系统可能是一个大问题。由于OFDM信号包含许多互相正交的低速率子载波，低符号速率在发生快速相位扰动时会使得同步更为困难，并且PHN还会使子载波的正交性变差。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于估计OFDM传输系统中相位噪声的方法。所述方法包括在接收器根据OFDM符号的至少一个服务信息载波确定信号噪声值。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种用于估计OFDM传输系统中相位噪声的方法。所述方法包括：接收OFDM符号并将所述OFDM符号从时域变换至频域；从所述OFDM符号中提取至少一个服务信息符号；估计提取的服务信息符号的参考服务信息符号；根据提取的服务信息符号与估计的参考服务信息符号之间的相关性确定相位噪声的表示值。

根据本发明的另外一个方面，提供了一种OFDM接收器。所述OFDM接收器包括：变换单元，用于将接收器接收到的OFDM符号从时域变换至频域；和相位噪声估计和补偿单元，用于根据OFDM符号的服务信息符号与参考服务信息符号之间的相关性确定相位噪声值并利用估计结果补偿所述相位噪声。

在本发明的一个实施方式中，所述相位噪声估计和补偿单元包括：FIFO，用于从所述变换单元接收变换的OFDM符号并延迟所述变换的OFDM符号；提取单元，用于从所述变换单元接收变换的OFDM符号并从提取的OFDM符号中提取预定数量的服务信息符号；解码器，用于从所述提取单元接收所述服务信息符号并对所述服务信息符号进行解码以获得各个参考服务信息符号；相关器，用于进行来自所述提取单元的每个服务信息符号与来自所述解码器的其参考服务消息符号之间的相关性以获得其间的相位差；角度计算器，用于对来自相关器的相位差进行角度计算以获得相位噪声值；和乘法器，用于将来自FIFO的变换的OFDM符号与来自角度计算器的相位噪声值进行复数相乘并输出补偿的OFDM符号。

附图说明

通过下面结合附图进行的说明，本发明的这些及其他方面、特征和优点将显而易见，其中：

图1显示了现有技术中包括频域的TPS信号的OFDM帧的结构；

图2显示了现有技术中DTMB帧中的TPS信号的位置；

图3是根据本发明一个实施方式的PHN估计方法的流程图；

图4是用于TPS信号的硬判决的流程图；

图5是根据本发明一个实施方式的DTMB解调制器的结构的框图；

图6是该实施方式的PHN估计和补偿结构的框图；

图7是根据显示本发明一个实施方式的用于评估DTMB解调制器的性能的试验的模拟条件的表；和

图8是显示了利用不同数量的TPS信号进行PHN估计的测试结果的表。

具体实施方式

下面将对本发明的实施方式的各个方面进行详细说明。为了说明之目的，阐述了具体的构造和细节以提供对本发明的透彻了解。但是，本领域普通技术人员可以理解，不采用本说明书所述细节也能实施本发明。

数字地面媒体广播(DTMB)标准是中国高清电视(HDTV)标准，其基于OFDM。关于DTMB的完整信息在中国人民共和国国家标准“GB20600-2006(数字电视地面广播系统的帧结构、信道编码和调制)”中给出。具体而言，DTMB系统是时域同步OFDM系统。

当DTMB解调制器接收的信号中引入了PHN时，这些信号将具有两种缺陷：公共相位误差(信号星座映射的旋转)和载波间干扰(与加性高斯噪声类似)。这两种缺陷都将干扰信号的解调制。因此，PHN估计和消除对于DTMB解调制器非常重要。需要提供一种完全符合DTMB标准并且能够精确估计DTMB解调制器中的PHN的PHN估计方案并从而对PHN进行补偿。

与其他已知OFDM系统不同，DTMB信号的保护间隔(guard interval)由一系列伪随机码组成，这使得DTMB系统依赖于数据辅助的同步和信道估计算法。但是不能利用这种时域信息对PHN进行估计。

作为多载波技术，OFDM帧具有多个正交子载波，其中一些可以用于携带服务信息。所述服务器信息可以是传输参数信令(transmission parametersignaling/TPS)信号，TPS信号协助在接收器进行解调制和解码。图1示出了包括频域的TPS信号的OFDM帧的结构。

类似地，TPS信号在频域中插入至DTMB帧以携带系统信息，所述系统信息为每个信号提供解调制和解码信息，包括符号星座映射模式、LDPC编码的码率、交织模式信息、帧主体模式等。在DTMB规格书中，预先定义了64个系统信息模式并且将扩频(spread spectrum)技术用于传输。因此，将36个系统信息符号结合在帧主体数据中以携带此系统信息。图2示出了TPS信号在DTMB帧中的位置。如图2所示，在一个DTMB帧中的3780个符号中，从第1873至1908的符号用于TPS信号。

在发射器利用BPSK(二进制移相键控)模式对TPS载波进行调制。可以利用TPS信号对数据的PHN进行估计。在DTMB解调制器中，同步和信道估计工作在时域。基于TPS信号的PHN估计和补偿在频域进行。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于估计DTMB接收器中PHN的方法。

图3示出了根据本发明实施方式的PHN估计方法的流程图。

首先，在步骤S301，DTMB接收器接收到数据帧。在步骤S302，将接收到的数据帧从时域转换至频域。如上所述，在DTMB解调制器中，同步和信道估计工作在时域。但基于TPS信号的PHN估计和补偿在频域进行。因此，需要将数据帧从时域转换至频域。

方法随后前进至步骤S303，其中从接收到的数据帧中提取至少一个TPS信号。如上所述，DTMB规格书中描述了数据帧中TPS信号的位置。根据DTMB规格书的描述，可以提取预定数量的TPS信号。

接着，在步骤S304，获得所提取的TPS信号的参考TPS信号。参考TPS信号是清洁信号，即未受到干扰或噪音影响的信号。考虑到TPS信号的BPSK调制模式相对于数据调制模式4QAM、16QAM和64QAM对于信道退化和噪声具有更强鲁棒性，可以基于提取的TPS信号通过硬判决规则估计当前帧的参考TPS信号。硬判决简单易行。

图4示出了用于TPS信号的硬判决。如图4所示，在将零选为判决阈值的条件下，当实部大于零时通过硬判决将其判决为4.5，当实部小于零时通过硬判决将其判决为-4.5。对于信号复数的虚部的处理与对实部的处理相同。

请再参看图3，最终在步骤S305，基于提取的TPS信号与参看TPS信号之间的相关性计算PHN。由于PHN出现在数据的相位角上，需要获得数据的相位角变化以估计PHN。作为步骤S305的一个实例，进行提取的TPS信号与其参考信号之间的互相关以获得对应于当前帧的PHN的相位差。本领域普通技术人员可以理解，上述互相关功能包括步骤：计算所述参考TPS信号的共轭复数；将提取的TPS信号与各个参考TPS信号的共轭复数的复数相乘；并计算所述乘法的和，即为互相关结果。然后通过正切函数计算相位角的改变以获得PHN。

图5是根据本发明一个实施方式的DTMB解调制器的框图。

如图5所示，根据该具体实施方式，DTMB解调制器500包括串联连接的3780 DFT 501、信道均衡器502、PHN估计和补偿单元503以及频率解交织器504。

如上所述，在DTMB解调制器500中，同步和信道估计工作在时域而PHN估计和补偿在频域进行。因此3780 DFT 501(离散傅立叶变换器)将DTMB解调制器接收到的数据帧从时域变换至频域。

变换的数据被输入至信道均衡器502，信道均衡器502补偿数据帧上的信道效应。

PHN估计和补偿单元503在信道均衡器之后以估计PHN。

图6示出了根据本发明一个实施方式的PHN估计和补偿单元503的结构。

请参看图6，根据该具体实施方式，PHN估计和补偿单元503包括FOFI601，FOFI 601将来自信道均衡器502的均衡数据帧延迟，当以后获得PHN估计结果时进行补偿。

同时，均衡数据帧被输入至提取单元602，提取单元602从数据帧中提取预定数量的TPS信号。因为DTMB数据帧中的TPS信号的位置定义在DTMB规格书中，提取单元602可以提取某些或者全部TPS信号用于PHN估计。

提取的TPS信号被输入至硬解码器603，硬解码器603对提取的TPS信号进行硬判决以获得各个参考TPS信号。

在硬解码器603之后是相关器604，相关器604进行每个提取的TPS信号与其参考TPS信号之间的相关(在本实施方式中是互相关)以获得数据帧的相位差。

将所述相位差输入至角度计算器605以计算PHN的结果，将该结果用于补偿在FIFO 601中延迟的数据帧。在此实施方式中，角度计算器对所述相位差执行正切函数计算。

如图6所示，PHN估计结果被输入至乘法器606以将FIFO 601中的数据帧与PHN估计结果复数相乘，从而对数据帧进行补偿。

请参看图5，来自补偿器的补偿的数据帧可以被输入至频率解交织器504，频率解交织器504具有与发射器中的频率交织器对应的解交织功能。

下面将更详细地说明根据本发明上述实施方式的DTMB解调制器的PHN估计和补偿方案的原理。

主要由下变频器的VCO引入的数据的PHN可以通过数据帧在频域的相位差反映。

如果PHN是解调制器接收的DTMB信号可以表示为：

其中r(n)是接收到的DTMB信号，x(n)是发射的DTMB信号，h(n)是信道脉冲相应，n(n)是附加白高斯噪声(AWGN)。

在DFT之后，R(k)可以由下面的公式(2)在频域中表示：

在信道均衡器之后，R(k)可以由下面的公式(3)表示：

如果清洁TPS信号是P(k)，解调制器中信道均衡器之后的TPS信号可以表示为：

在估计PHN时，首先由下面的公式(5)获得互相关的复数和：

其中P^*(k)是P(k)的共轭复数，L是一个DTMB数据帧中的TPS信号的数量。

arg(*)是角度计算函数。则PHN的角度可以表示为：

其中是估计的PHN。

在PHN补偿之后，R(k)可以由下面的公式(7)表示：

因此，数据帧的PHN根据本发明得到估计和补偿。

本发明可以利用一个帧中的一个至全部TPS信号在频域中进行PHN估计和补偿。进行了多个仿真试验来评价本发明的性能。图7是示出仿真条件的表格。如图7所示，利用表中所示信道模式和PHN模型的典型DTMB信号进行试验。对于表中所示PHN模型，例如-60dBc/Hz1.5kHz表示在距离中心频率1.5kHz距离处PHN为60dBc/Hz。

图8示出了利用不同数量的TPS信号进行PHN估计的测试结果的表格。在图8所示表格中，SNR是模式的阈值，BER是硬BER结果，即解映射之后的比特误码率。表格1中的实例1显示了没有PHN及其补偿的结果，实例2示出了具有PHN但没有进行补偿的结果，实例3示出了利用一个OFDM帧中全部TPS信号进行PHN估计和补偿的结果，实例4示出了利用一个OFDM帧中一半TPS信号进行PHN估计和补偿的结果。

根据本发明实施方式的解调制器不会受到信道效应的影响，因为其位于信道均衡器之后，本发明利用易于实现的硬判决和互相关结构。

另外，根据本发明实施方式的解调制器利用多个TPS信号的互相关结果复数和的角度。因此，这些TPS信号中一个或某些的估计误差对估计精度的影响不大。

虽然针对DTMB系统对本发明的实施方式进行了说明，但其他的OFDM通信系统也可以采用本发明。说明书中的说明只是用于说明的目的，本领域普通技术人员可以理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的原理和范围的情况下，可以对所述实施方式进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种用于估计OFDM传输系统中相位噪声的方法，其特征在于，包括步骤：

接收不包括明确的参考信号载波的OFDM符号(S301)并将所述OFDM符号从时域变换至频域(S302)；

从所述OFDM符号中提取至少一个服务信息载波(S303)，所述至少一个服务信息载波位于OFDM符号中的固定位置处，所述至少一个服务信息载波上调制有传输参数信令信息，所述传输参数信令消息在多个连续帧上恒定，但当传输参数修改时有变化；

估计提取的服务信息载波的参考服务信息符号(S304)；和

根据提取的服务信息符号与估计的参考服务信息符号之间的相关性确定相位噪声的表示值(S305)。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过硬判决进行所述估计提取的服务信息载波的参考服务信息符号的步骤。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，通过互相关进行所述确定步骤。

4.根据权利要求1－3中任一所述方法，其特征在于，在从所述OFDM符号中提取至少一个服务信息载波之前对变换的OFDM符号进行信道均衡。

5.一种OFDM接收器(500)，其特征在于，包括：

变换单元(501)，用于从OFDM发射器接收OFDM符号并将所述OFDM符号从时域变换至频域；和

相位噪声估计和补偿单元(503)，用于从所述变换单元(501)接收变换的OFDM符号并根据OFDM符号的服务信息符号与参考服务信息符号之间的相关性确定相位噪声值并利用估计结果补偿所述相位噪声，所述相位噪声估计和补偿单元(503)包括：

FIFO(601)，用于从所述变换单元(501)接收变换的OFDM符号并延迟所述变换的OFDM符号；

提取单元(602)，用于从所述变换单元(501)接收变换的OFDM符号并从提取的OFDM符号中提取预定数量的服务信息符号；

解码器(603)，用于从所述提取单元(602)接收所述服务信息符号并对所述服务信息符号进行解码以获得各个参考服务信息符号；

相关器(604)，用于进行来自所述提取单元(602)的每个服务信息符号与来自所述解码器(603)的其参考服务消息符号之间的相关性以获得其间的相位差；

角度计算器(605)，用于对来自相关器(604)的相位差进行角度计算以获得相位噪声值；和

乘法器(606)，用于将来自FIFO(601)的变换的OFDM符号与来自角度计算器(605)的相位噪声值进行复数相乘并输出补偿的OFDM符号。

6.根据权利要求5所述OFDM接收器(500)，其特征在于，所述解码器(603)是硬解码器。

7.根据权利要求5所述OFDM接收器(500)，其特征在于，所述相关器(604)是互相关器。

8.根据权利要求5所述OFDM接收器(500)，其特征在于，还包括信道均衡器(502)，用于从变换单元(501)接收变换的OFDM符号并补偿变换的OFDM符号上的信道效应，然后将变换的OFDM符号输入至相位噪声估计和补偿单元(503)。

9.根据权利要求5所述OFDM接收器(500)，其特征在于，还包括频率解交织器(504)，其具有与OFDM发射器中的频率交织对应的解交织功能，用于接收并解交织来自相位噪声估计和补偿单元(503)的补偿的OFDM符号。